深水天然氣管道流動安全保障設(shè)計探討

陳宏舉 周曉紅 王 軍

(中海油研究總院)

隨著海上油氣開發(fā)向深海領(lǐng)域的拓展,長距離深水管道將會越來越多。由于水深和距離的影響以及海上平臺的限制,管道啟動時滯液量平衡時間、管道輸量增加對平臺工藝設(shè)施的影響、管道清管工藝等一些對淺海管道設(shè)計影響較小的流動安全保障問題,在深水天然氣管道設(shè)計中必須給予重點關(guān)注。本文以荔灣3-1氣田深水管道設(shè)計為基礎(chǔ),利用OLGA動態(tài)模擬軟件對深水天然氣管道流動安全保障的幾種典型工況進(jìn)行分析,探討深水管道設(shè)計中須要關(guān)注的問題以及相應(yīng)的解決措施,以期對今后深水天然氣管道設(shè)計提供參考。

1 荔灣3-1氣田管道概況

荔灣3-1氣田是中國海域內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)的深水氣田,該氣田在水深1480 m處設(shè)置水下生產(chǎn)系統(tǒng),并在其西北方向約200 m水深處建有淺水增壓處理中心平臺,水下井口距淺水增壓平臺約75 km。荔灣3-1氣田深水天然氣管道依靠井口壓力將油氣水輸送至淺水增壓處理中心平臺處理,為了在氣體循環(huán)和清管作業(yè)時形成回路,荔灣3-1氣田擬新建2條558.8 mm的海底管道。荔灣3-1氣田海底管道高差大,管道出入口路由水深相差1280 m,加上230 m立管高度,總高程差達(dá)1510 m。

2 流動安全保障設(shè)計研究

采用國際上普遍認(rèn)為能較準(zhǔn)確地對多相流管道進(jìn)行動態(tài)工藝模擬計算的OLGA軟件作為計算平臺,通過分析滯液量平衡時間、輸量增加對平臺工藝設(shè)施的影響以及管道清管工藝對荔灣3-1氣田深水天然氣管道流動安全保障進(jìn)行設(shè)計。

2.1 滯液量平衡時間分析

天然氣管道中需要注入水合物抑制劑來保證管道的輸送安全,而大部分水合物抑制劑要從管道出口的水相中回收利用,由于深水天然氣管道高差大,在啟動時,管道內(nèi)的液體流速較慢,管內(nèi)滯液量需要較長的時間才能達(dá)到平衡,在此期間,管道出口無液體流出或液體流量較小,這樣,平臺就需要很大的水合物抑制劑儲存量。因此對深水天然氣管道進(jìn)行滯液量平衡時間的分析至關(guān)重要。

受淺水增壓中心平臺水合物抑制劑儲存規(guī)模的限制,荔灣3-1天然氣管道滯液量平衡時間不能太長,結(jié)合產(chǎn)量預(yù)測數(shù)據(jù),對荔灣3-1氣田天然氣管道18×108m3/a或15×108m3/a不同啟動輸量進(jìn)行分析。冬季高壓工況下輸送流體時,管內(nèi)滯液量大,因此深水氣液混輸管道的滯液量平衡時間一般按冬季高壓工況計算。采用OLGA5.3動態(tài)工藝模擬軟件進(jìn)行模擬計算,2種啟動輸量的滯液量平衡時間模擬結(jié)果見圖1和圖2。

由圖1和圖2可以看出,不同啟動輸量下,管道內(nèi)水相平衡時滯液量也達(dá)到平衡;在18×108m3/a啟動輸量下,管道油相平衡時間為58 h,水相及滯液量平衡時間為197 h;在15×108m3/a啟動輸量下,管道油相平衡時間為78 h,水相及滯液量平衡時間為410 h。對比以上結(jié)果可知,15×108m3/a啟動輸量下滯液量平衡時間長,因此平臺上需要有更大的水合物抑制劑儲存量,而18×108m3/a啟動輸量下滯液量平衡時間相對較短,考慮海上平臺空間等因素的限制,選擇18×108m3/a為荔灣3-1氣田深水天然氣管道的啟動輸量。

2.2 輸量增加對平臺工藝設(shè)施的影響

由于長度和深度的影響,深水天然氣管道輸量增加時,管道出口流量可能會出現(xiàn)一個突然增大的過程,管道出口流量突然增大會對下游工藝設(shè)施造成較大沖擊,因此,有必要對深水天然氣管道輸量增加造成的管道出口流量的變化情況進(jìn)行分析。以荔灣3-1氣田深水天然氣管道18×108～36×108m3/a輸量變化為例,按冬季輸送工況計算,使用OLGA 5.3動態(tài)工藝模擬軟件進(jìn)行分析。管內(nèi)滯液量和管道出口液量變化趨勢如圖3所示。

從圖3可以看出,當(dāng)管道輸量增加時,管道出口液體流量增大,管內(nèi)滯液量減小,管道出口液量和水量在管道輸量增加時有一個明顯的先增大然后減小再趨于穩(wěn)定的過程。管道出口液量的突然增加會對管道下游的工藝設(shè)施造成較大沖擊,因此在深水天然氣管道設(shè)計中必須進(jìn)行輸量增加對平臺工藝設(shè)施影響的研究。

圖3 荔灣3-1氣田深水天然氣管道18×108～36×108m3/a輸量增加時管內(nèi)滯液量和管道出口液量變化趨勢圖

平臺工藝設(shè)施不可能無限制地應(yīng)對輸量增加時受到的沖擊,因此需要研究如何降低輸量增加對平臺工藝設(shè)施的沖擊。對荔灣3-1氣田深水天然氣管道18×108～36×108m3/a輸量直接變化工況和18×108～23×108m3/a、23×108～36×108m3/a輸量分階段變化進(jìn)行分析,管道輸量增加時平衡時間內(nèi)管道出口液量和水量見表1。

表1 管道輸量增加時平衡時間內(nèi)管道出口液量和水量

從表1可以看出,直接變化工況平衡時間內(nèi)進(jìn)入平臺的液量和水量較大,而分階段變化工況各變化階段平衡時間內(nèi)進(jìn)入平臺的液量和水量均小于直接變化工況。由此,管道輸量增加分階段變化,可以減小管道出口液量對管道下游工藝設(shè)施的影響。由于氣體流速增加會攜帶更多液體流出,從而對管道下游設(shè)備造成影響,因此管道輸量的變化幅度不能過大,如果需要較大幅度增加管道輸量,可逐漸調(diào)整管道輸量、分階段實現(xiàn)輸量增加的目的。

2.3 清管工藝選擇

為了保證海底管道安全輸送,減少管道腐蝕,提高管道輸送效率,氣液管道需要進(jìn)行清管操作。由于深水管道高差較大,運行時管內(nèi)滯液量也會較大,清管操作時形成的段塞相應(yīng)也會較嚴(yán)重。為了減少清管時段塞對下游設(shè)施的影響,配合下游工藝流程的設(shè)計,必須選擇合適的清管工藝以保障管道的安全運行,因此,清管工藝是深水天然氣管道流動安全保障研究的重點之一。

荔灣3-1氣田設(shè)置水下井口開發(fā),水下生產(chǎn)系統(tǒng)的清管方式一般有3種:

(1)安裝水下清管球發(fā)射裝置,需要定期補充清管球;

(2)安裝水下清管接口,通過ROV或潛水員用軟管將工作船(備有發(fā)球裝置)與水下清管接口連接進(jìn)行作業(yè);

(3)2條等直徑海管形成回路,清管球的收發(fā)球裝置安裝在淺水平臺,2條生產(chǎn)管道構(gòu)成回路進(jìn)行清管作業(yè)。

針對海底輸送管道,前2種清管方式屬于水下發(fā)球平臺收球直接清管方式,第3種清管方式為平臺收發(fā)球的循環(huán)清管方式。根據(jù)荔灣3-1氣田開發(fā)的特點,對荔灣3-1氣田深水天然氣管道進(jìn)行了多種清管方案的研究。

(1)水下發(fā)球直接清管方案

此清管方案中,清管設(shè)施設(shè)置在水下。清管時,深水天然氣管道和水下井口維持正常運行,由生產(chǎn)物流直接驅(qū)動清管球進(jìn)行清管操作。

以荔灣3-1氣田深水天然氣管道輸送規(guī)模為18×108m3/a,出口壓力分別為 11200 kPa、6800 kPa和3000 kPa的輸送工況為例,利用OLGA 5.3動態(tài)工藝模擬軟件對水下發(fā)球直接清管方案進(jìn)行分析,結(jié)果見表2。

表2 水下發(fā)球直接清管滯液量與段塞參數(shù)

由表2可以看出,水下發(fā)球直接清管方案中,管道出口短時間內(nèi)產(chǎn)生的段塞體積隨出口壓力和管內(nèi)滯液量的升高而增大,清管段塞泄放的速度隨輸送壓力的升高而降低,但所有輸送壓力下清管段塞泄放的速度都超過正常生產(chǎn)工況時的液體流動速度(7.3 m3/min)。考慮到海上平臺空間和結(jié)構(gòu)的限制,平臺無法設(shè)置體積過大的段塞流捕集器來吸收清管段塞,若采用此方案進(jìn)行清管操作,清管段塞對平臺工藝設(shè)施會產(chǎn)生很大的影響,從而影響到平臺工藝流程的正常運行,因此水下發(fā)球直接清管方案不適用于荔灣3-1氣田深水天然氣管道。

(2)水下發(fā)球,提高輸量吹掃管道后再進(jìn)行清管

此清管方案中,清管設(shè)施設(shè)置在水下,清管操作前提高管道的輸量吹掃管道以降低管內(nèi)滯液量,然后進(jìn)行清管。

以荔灣3-1氣田深水天然氣管道輸送規(guī)模為25×108m3/a、出口壓力為11200 kPa輸送工況為例,利用OLGA 5.3動態(tài)工藝模擬軟件對水下發(fā)球清管前提高輸量吹掃管道再進(jìn)行清管的方案進(jìn)行分析,結(jié)果見表3。

表3 水下發(fā)球提高輸量吹掃管道后再進(jìn)行清管滯液量與段塞參數(shù)

由表3可以看出,隨著輸量的增加:清管時管道出口的段塞體積減小,段塞泄放時間縮短,可見提高管道輸送量對管內(nèi)滯液量和清管產(chǎn)生的段塞有明顯的改善;但由于段塞體積減小的同時,段塞泄放時間也在縮短,故清管段塞泄放速度仍超過正常生產(chǎn)工況時的液體流動速度,因此采用此方案進(jìn)行清管操作時,清管段塞對平臺工藝設(shè)施的影響沒有根本上的改善?？紤]到管道流體依靠井口壓力輸送,管道入口壓力受到井口壓力限制,而提高輸量需要管道入口壓力有較大的提高,同時根據(jù)荔灣3-1氣田配產(chǎn)方案,生產(chǎn)后期氣量的減小,無法做到清管前提高輸量吹掃管線。因此,水下發(fā)球清管前提高輸量吹掃管道后再進(jìn)行清管的方案也不適用于荔灣3-1氣田深水天然氣管道。

(3)淺水平臺收發(fā)球循環(huán)清管方案

圖4 荔灣3-1氣田淺水平臺收發(fā)球循環(huán)清管方案示意圖

此清管方案中,水下生產(chǎn)系統(tǒng)需要設(shè)置3個閥門(圖4),正常生產(chǎn)時閥門1和閥門2處于常開狀態(tài),閥門3處于關(guān)閉狀態(tài),生產(chǎn)流體由井口處的入口1進(jìn)入管匯經(jīng)管道1和管道2輸往淺水平臺。清管設(shè)施設(shè)置在淺水平臺,準(zhǔn)備清管時考慮部分生產(chǎn)井停產(chǎn),保持一條管道正常輸送(管道1),一條管道停輸(管道2)。清管球從入口2處進(jìn)入管道2,關(guān)閉閥門2,打開閥門3,將2條管道形成循環(huán)回路,在平臺使用壓縮氣體驅(qū)動清管球?qū)艿?進(jìn)行清管。當(dāng)清管球運行到節(jié)點1處時,關(guān)閉閥門3并停止壓縮氣體進(jìn)入,清管球由正常生產(chǎn)的井流驅(qū)動對管道1進(jìn)行清管,并將停產(chǎn)的生產(chǎn)井啟動,管道2恢復(fù)正常輸送。

以荔灣3-1氣田深水天然氣管道輸送規(guī)模為18×108m3/a、出口壓力為3000 k Pa的輸送工況為例,清管操作時考慮部分生產(chǎn)井停產(chǎn),保持一條管道正常輸送,一條管道停輸,在平臺使用壓縮氣體驅(qū)動清管球?qū)ν］敼艿肋M(jìn)行反向清管,壓縮氣體量為5×108m3/a。

反向清管階段相當(dāng)于增加5×108m3/a的氣量吹掃在輸管道,利用OLGA 5.3動態(tài)工藝模擬軟件進(jìn)行動態(tài)清管工況模擬,循環(huán)清管方案模擬結(jié)果見表4。從表4可以看出,在輸管道清管結(jié)束時段塞體積約為680 m3,相對于直接清管方案,段塞的泄放時間增加為25.2 min,從而降低了段塞泄放速度。由此可見,循環(huán)清管方案可以減小清管段塞對平臺設(shè)施的影響。若考慮對在輸管道清管時,關(guān)閉部分生產(chǎn)井,降低管內(nèi)輸量至10×108m3/a,則在輸管道清管結(jié)束時段塞體積約為689 m3,段塞泄放時間增加為126.0m in,大大降低了清管段塞的泄放速度,減小了清管段塞對平臺設(shè)施的影響。

表4 淺水平臺收發(fā)球循環(huán)清管方案滯液量與段塞參數(shù)

綜合直接清管方案和循環(huán)清管方案的模擬結(jié)果可以看出,直接清管方案依靠井口物流來推動清管球,受到井口壓力和平臺設(shè)施的限制,不適用于荔灣3-1氣田深水天然氣管道;而循環(huán)清管方案可以降低清管段塞對于平臺設(shè)施的影響,且荔灣3-1氣田深水天然氣輸送體系滿足循環(huán)清管的要求,同時生產(chǎn)后期可以考慮直接從平臺提高氣量先對管道進(jìn)行吹掃后進(jìn)行清管,具有操作的靈活性,因此荔灣3-1氣田深水天然氣管道可以考慮采用淺水平臺收發(fā)球循環(huán)清管方案進(jìn)行清管。

3 結(jié)論

(1)管道啟動時滯液量平衡時間直接影響到下游平臺水合物抑制劑的儲存規(guī)模,在確定深水天然氣管道啟動輸量時,必須對滯液量平衡時間進(jìn)行分析。本文通過滯液量平衡時間的分析,確定了荔灣3-1深水天然氣管道以18×108m3/a輸量啟動為宜。

(2)由于高差的影響,深水天然氣管道設(shè)計必須研究輸量增加對下游平臺工藝設(shè)施的影響。深水天然氣管道運行過程中,輸量大幅增加時會造成管道出口液量突然增加進(jìn)而對管道下游工藝設(shè)施造成較大沖擊,如果管道輸量需要較大幅度增加,應(yīng)分階段小幅度進(jìn)行。

(3)清管工藝是深水天然氣管道流動安全保障問題研究的重點之一。深水油氣混輸管道由于起點和終點高程差較大,清管操作時形成的段塞相應(yīng)也較嚴(yán)重。為降低清管操作對下游工藝設(shè)計的影響,須要選擇合適的清管工藝。水下發(fā)球直接清管和水下發(fā)球、提高輸量對管道進(jìn)行吹掃后再進(jìn)行清管2種方案不適用于荔灣3-1氣田深水天然氣管道,可以考慮采用淺水平臺收發(fā)球循環(huán)清管方案進(jìn)行清管。